مدل سازی، کنترل و تضمین پایداری عملگر نیوماتیک در تعقیب طیف وسیع امپدانسی جهت کاربرد در ربات توانبخشی پا

در این رساله، هدف کنترل یک عملگر نیوماتیک به منظور کاربرد آن در یک ربات توانبخشی یک درجه آزادی پا می باشد. به-منظور پوشش سناریوهای مختلف مورد نیاز در یک ربات توانبخشی (فازهای کمک کننده، مقاومت کننده) دو الگوریتم کنترلی ارائه شده و بر روی یک سیستم نیوماتیک یک درجه آزادی که اینرسی خارجی قابل توجهی به آن متصل است پیاده سازی می-شوند. اینرسی خارجی به منظور شبیه سازی شرایط واقعی در یک ربات توانبخشی پا به عملگر اضافه می گردد. در الگوریتم اول، عملگر (به عنوان بخشی از یک مکانیزم یا به تنهایی) در فاز کمک کننده از فرآیند توانبخشی در نظر گرفته می شود، به این معنی که وظیفه آن هدایت اندام بیمار در مسیر مطلوب می باشد. در این روش رفتار یک سیستم خطی مرتبه دوم میرا به عنوان رفتار گذرای مطلوب برایخطا در تعقیب موقعیت در نظر گرفته شده است. مطابق این الگوریتم ابتدا نیروی لازم برای اعمال شدن به مجموعه متحرک صلب عملگر به منظور القای رفتار ذکر شده تعیین می شود. سپس با توجه به این نیرو، فشار مطلوب محفظه ها استخراج می گردد که باید توسط حلقه کنترل فشار تعقیب گردند. برای این منظور از روش کنترل مد لغزشی استفاده شده است.در نهایت پایداری کل سیستم کنترلی با استفاده از روش دوم لیاپانوف مورد بررسی قرار می گیرد. در الگوریتم دوم، کنترل امپدانس عملگر نیوماتیک با هدف مشارکت دادن بیشتر بیمار در فرآیند توانبخشی مورد نظر است. در اینجا عملگر به همراه اینرسی بالای متصل به آن باید در تعامل با انسان امپدانس مکانیکی مطلوب را از خود نشان دهد. با توجه با بالا بودن اینرسی و نیز بالا بودن شتاب دربعضی حرکات، لازم است که الگوریتم کنترلی علاوه بر تنظیم سفتی و میرایی، اینرسی ظاهر شده در محل تعامل با کاربر را نیز تنظیم نماید. به منظور کاهش اینرسی ظاهر شده، از فیدبک نیروی تعاملی و شتاب می توان استفاده نمود که در این رساله دو حالت: 1- استفاده از فیدبک نیرو به تنهایی و 2- استفاده از فیدبک نیرو و شتاب، مورد بررسی قرار گرفته اند و روش اول علاوه بر محیط شبیه سازی به صورت تجربی نیز پیاده سازی شده است. برای بررسی پایداری در سیستم کنترل امپدانس نیز از معیار نافعالی استفاده شده است. نتایج شبیه سازی و آزمایش های تجربی حاکی از عملکرد مناسب سیستم کنترل موقعیت و امپدانس در محدوده فرکانسی خاصی می باشد که این محدوده برای راه رفتن طبیعی انسان کافی است. همچنین شبیه سازی ها و نیز آزمایش های تجربی نشان می دهند که در اخذ محدوده وسیع از پارامترهای امپدانسی، به خصوص در اخذ مقادیر پایین اینرسی با مشکل ناپایداری روبرو هستیم و ناپایداری ایجاد شده نیز از نوع سیکل حدی می باشد. در نهایت با استفاده از روابط و همچنین نتایج شبیه سازی و آزمایش های تجربی، بر روی این ناپایداری بحث شده و با معرفی عامل "محدود بودن پهنای باند در کنترل فشار" به عنوان عامل ایجاد این ناپایداری، نقش آن در از بین بردن نافعالی سیستم کنترلی، همچنین در توجیه نوع ناپایداری ایجاد شده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. سپس با ایجاد تغییر در مقدار این محدودیت در محیط شبیه سازی (که تغییر مشخصات شیر نیوماتیک یکی از روش های آن است)، اثر آن بر محدوده پایداری سیستم کنترلی مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت با استفاده از شیر با قابلیت دبی دهی بیشتر در سیستم آزمایشگاهی، محدوده پایداری در دستیابی به امپدانس مطلوب بهبود یافته است.